DE10140248A1

DE10140248A1 - Unterdruckhandhabungseinrichtung

Info

Publication number: DE10140248A1
Application number: DE10140248A
Authority: DE
Inventors: Kurt Schmalz; Gernot Schmierer; Thomas Eisele
Original assignee: J Schmalz GmbH
Current assignee: J Schmalz GmbH
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: JP2003103486A; US20030038491A1; US6817639B2; DE10140248B4

Abstract

Unterdruckhandhabungseinrichtung mit einem Unterdruckerzeuger, einer Einrichtung zum Steuern des Unterdrucks und mehreren Greifern, die an einem zu handhabenden Werkstück angreifen, wobei jeder Greifer mit einer Einrichtung zum Steuern des Unterdrucks, mit einem Sensor zum Erfassen von Zustandsdaten an diesem Greifer sowie mit einer Auswerteelektronik ausgestattet ist, an welche die Einrichtung zum Steuern des Unterdrucks und der Sensor angebunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Unterdruckhandhabungseinrichtung mit einem Unterdruckerzeuger, einer Einrichtung zum Steuern des Unterdrucks und mehreren Greifern, die an einem zu handhabenden Werkstück angreifen.

Eine Unterdruckhandhabungseinrichtung besteht in der Regel aus einem Vakuumerzeuger, Ventiltechnik zum Steuern des Vakuums, Sensorik zur Überwachung des Vakuums und mindestens einem pneumatischen Flächengreifer. Derartige Systeme werden sowohl im Bereich der manuellen Handhabung von Stückgütern als auch in der Automatisierungstechnik eingesetzt.

Gerade in der Automatisierungstechnik wird über eine zentrale Steuer- und Regeleinrichtung jeder Sauggreifer separat angesteuert, was zum einen einen enormen Aufwand an der Vernetzung der Bauteile, zum anderen eine sehr hohe Fehleranfälligkeit mit sich bringt.

Die mit dem Aufbau dieser Unterdruckhandhabungseinrichtung verbundenen Kosten hängen maßgeblich von der Auswahl des Vakuumerzeugers ab. Besteht ein Flächengreifer beispielsweise aus k Einzelgreifern, so muss das Vakuumerzeugungssystem so ausgelegt sein, dass alle k Einzelgreifer evakuiert werden können.

Bei dichten Werkstoffen gestaltet sich die Auswahl eines geeigneten Vakuumerzeugers aufgrund der Größe des zu evakuierenden Volumens und aufgrund der zu erzeugenden Haltekraft einfach.

Schwieriger wird es, wenn nicht mit Sicherheit vorhergesagt werden kann, ob sich alle k Einzelgreifer während des Greifvorgangs in Kontakt mit dem zu greifenden Objekt befinden. Sind beispielsweise I Einzelgreifer während des Greifvorgangs nicht in Kontakt mit dem zu greifenden Objekt, dann beteiligen sich nur m = k-I Greifer an der Kraftübertragung. Kritisch ist in diesem Zusammenhang außerdem, dass der Vakuumerzeuger nicht nur m Einzelgreifer evakuieren muss, sondern gleichzeitig die Fremdluft aus I nicht belegten Greifern ebenfalls absaugen muss. Abhängig von der Saugleistung des Vakuumerzeugers kann dieser Sachverhalt zu einem Versagen des Gesamtsystems führen.

Bei undichten bzw. porösen Werkstoffen bringt der oben beschriebene Sachverhalt noch wesentlich größere Probleme mit sich, da bereits im Optimalzustand wenn alle k Einzelgreifer an der Kraftübertragung beteiligt sind, ein große Menge an Leckluft abgesaugt werden muss.

Um den oben beschriebenen Problemen entgegenzuwirken, werden nach heutigem Stand der Technik mechanische Ventile oder Lochblenden als Strömungswiderstände eingesetzt, die den Leckluftstrom durch einen unbelegten Sauggreifer begrenzen.

Die Lochblende ist die einfachste Form des Strömungswiderstandes. Bei diesem Strömungswiderstand handelt es sich um eine kleine Öffnung, die den Luftstrom begrenzt. Lochblenden werden z. B. direkt in den Nippel eines Sauggreifers eingebaut. Lochblenden sind einfache mechanische Bauteile, die sich weder steuern noch verändern lassen. Sie sind deshalb relativ preiswert und weisen einen geringen Platzbedarf auf. Als Nachteil wird angesehen, dass der Saugluftstrom stets begrenzt ist, auch wenn ein dichter Sauggreifer evakuiert werden soll, dass sie nicht steuerbar ist und dass bei unbelegtem Sauggreifer stets Leckluft angesaugt wird.

Als mechanische Ventile sind Tastventile bekannt, die erst bei Kontakt mit dem zu greifendem Objekt öffnen. Sie weisen den Vorteil auf, dass bei unbelegtem Sauggreifer keine Leckluft angesaugt wird. Als Nachteil wird jedoch angesehen, dass sie nur bei ebenen Bauteilen funktionieren. Ferner sind Strömungsventile bekannt, die meist als Kugelsitzventile ausgeführt sind. Bei hohem Volumenstrom wird eine Kugel in Strömungsrichtung durch den Saugvolumenstrom gegen einen Sitz gedrückt und verschließt den Saugkanal. Wird der Greifer auf eine dichte Oberfläche gesetzt, dient eine Bypass-Bohrung im Innern des Strömungsventils dazu, den Druckausgleich zwischen Vakuumsystem und Innenraum des Sauggreifers herzustellen. Die Kugel bewegt sich dann in ihre Ausgangslage zurück und der volle Saugquerschnitt steht zur Verfügung. Diese Ventile besitzen den Vorteil, dass die Leckluft beim freien Ansaugen begrenzt ist und dass der Saugluftstrom nach erfolgtem Ansaugen höher ist als bei einer reiner Lochblende, was bei porösen Werkstoffen vorteilhaft ist. Als nachteilig wird aber angesehen, dass diese Ventile nicht steuerbar sind und einen Leckluftstrom bei unbelegtem Sauggreifer aufweisen.

Vakuumerzeuger als Teilsysteme eines Vakuumsystems mit pneumatischen Flächengreifern müssen stets überdimensioniert werden, da keine Möglichkeit besteht, jeden einzelnen Sauggreifer bedarfsgerecht zu steuern. Dies führt zu hohen Betriebskosten.

Aufgrund der Überdimensionierung der Vakuumerzeuger müssen ebenfalls die Verbindungsleitungen zum eigentlichen Greifsystem überdimensioniert werden, was zu extremen Limitierungen beim Einsatz in der Automatisierungstechnik führt. Beispielsweise sind Roboter nicht dafür ausgelegt, entsprechende Saugschläuche entlang ihrer Kinematik zu führen.

Die größtenteils zentral durchgeführte Vakuumüberwachung mittels Vakuumschalter ist nicht zur Systemüberwachung geeignet. Beispielsweise führt eine verstopfte Zuleitung zu einem Sauggreifer zu einem korrekten Vakuumwert im System während die Funktion des Greifers nicht mehr gegeben ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Unterdruckhandhabungseinrichtung bereitzustellen, mit der bedarfsgerecht Unterdruck erzeugt wird und die energiesparend arbeitet.

Diese Aufgabe wird mit einer Unterdruckhandhabungseinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jeder Greifer mit einer Einrichtung zum Steuern des Unterdrucks, mit einem Sensor zum Erfassen von Zustandsdaten an diesem Greifer sowie mit einer Auswerteelektronik ausgestattet ist, an welche die Einrichtung zum Steuern des Unterdrucks und der Sensor angebunden sind.

Bei der erfindungsgemäßen Unterdruckhandhabungseinrichtung bildet jeder Greifer eine in sich abgeschlossene Einheit, die bei einer zentralen Druckversorgung lediglich mit Unterdruck versorgt werden muss. Es ist aber auch denkbar jedem Greifer, z. B. mittels eines Ejektors eine eigene Unterdruckversorgung zuzuordnen, so dass er nur noch mit elektrischer Energie versorgt werden muss. Eine solche Unterdruckhandhabungseinrichtung kann problemlos für automatisierte Bearbeitungseinrichtungen verwendet werden, da keine störenden Leitungsverbindungen mehr erforderlich sind. Der Platzbedarf hierfür ist auf ein Minimum reduziert.

Es bietet sich an, z. B. einen miniaturisierten Drucksensor, ein miniaturisiertes Ventil und optional eine miniaturisierte Auswerteelektronik sowie einen miniaturisierte Kommunikationseinheit zu einem intelligenten Mikrosystem zu verschmelzen. Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, dass auf diese Weise die Systemintelligenz dezentralisiert wird und dadurch Leitungswege eingespart werden. Bei der erfindungsgemäßen Unterdruckhandhabungseinrichtung sind dezentrale in-situ Druckmessungen und Steuerungen und/oder Regelungen implementiert. Gleichzeitig steigt die Wartungsfreundlichkeit dieser Systeme.

Bei einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass der Greifer telematische Fähigkeiten wie z. B. Protokollierung, Ferndiagnose, Fernwartung, etc. besitzt.

Durch die Erfindung können Vakuumerzeuger optimiert bedarfsgerecht Ausgelegt werden. Nur an der Kraftübertragung beteiligte Vakuumgreifer werden mit dem Vakuumerzeuger verbunden, wodurch keine Leckluft angesaugt wird. Ferner werden die Leitungsquerschnitte auf roboter- und automatisierungsgerechte Dimensionen reduziert.

Die In-situ Druckmessung gepaart mit Ventiltechnik führt zu verlässlichen Messergebnissen und intelligenten Teilkomponenten.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die miniaturisierten, intelligenten Sensor-Ventil-Einheit für Vakuumanwendungen an das Internet (Ethernet, TCP-IP) angebunden werden können, was unbegrenzte Möglichkeiten der Telematik, eine Parametrierung des Greifsystems über NETSCAPE/EXPLORER auf der Basis eines XML = extended markup language (strukturiertes HTML)) Hardware-Profils, eine Protokollierung von Greiferparametern, eine präventive Wartung, ausgelöst durch die Veränderung gemessener Systemparameter wie z. B. Druckverlust über Lebensdauer, etc. eröffnet.

Von Vorteil ist eine Erhöhung der Flexibilität von Flächensauggreifern, da sich nur die notwendigen Sauggreifer selbständig zuschalten.

Zu einer höchstmöglichen Flexibilität des Gesamtsystems führt, die Miniaturisierung der Komponenten und die Verwendung von Standardkomponenten, wodurch eine Kostenreduktion erzielt wird. Die Ventil-Sensor-Einheit ist nachrüstbar, so dass herkömmliche Systeme problemlos umrüstbar sind. Ferner können IT-Standards (Ethernet, XML, etc.) verwendet werden.

Als Ventile werden z. B. subminiaturisierte bistabile 3/2- Magnetventile (der Fa. Lee Company, Westbrook, CT, USA) verwendet. Die Leistungsaufnahme beträgt 2,8 mws pro Schaltzyklus. Der Durchmesser beträgt 7,14 mm und die Länge beträgt 28.5 mm. Der Durchfluss bei 0,7 bar liegt bei 6 Nl/min (1.100 Lohms). Der Druckbereich beträgt 0 bis 1 bar. Die Standardspannungsversorgung ist 5 V oder 24 V.

Bei einer anderen Ausführungsform werden z. B. Ventile der Fa. TiNi Alloy Company, San Leandro, Ca, USA verwendet. Die Ventile sind als sub-miniatur-Ventile auf der Basis von Thin Film Shape Memory Alloy ausgeführt. Sie sind proportional steuerbar. Die Leistungsaufnahme beträgt 200 mW und die Abmessungen sind für die Ventileinheit 8 × 5 × 2 mm und die Außenabmessungen betragen 16 × 9.4 × 8 mm. Der Durchfluss bei 2 bar (Druckdifferenz) liegt bei 1 Nl/min. Der Druckbereich ist 0 bis ca. 6 bar. Die Umgebungstemperatur < 40°C.

Der Sensor besitzt einen Druckbereich von 0 bis 1 bar und eine minimale Leistungsaufnahme. Das Ventil ist, wie bereits erwähnt, als 3/2-Wegeventil oder optional als 2/2- Wegeventil ausgebildet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im Querschnitt dargestellt ist. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten sowie in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

In der Zeichnung ist mit dem Bezugszeichen 10 ein Greifer bezeichnet, wie er zum Ergreifen von Gegenständen verwendet wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die in der Zeichnung abgebildeten Greifer 10 beschränkt ist, sondern jede Ausführungsform von Greifern umfassen soll. Der Greifer 10 ist Teil einer eine Vielzahl von Greifern aufweisenden Unterdruckhandhabungseinrichtung. Der Greifer 10 wird von einem Flachsauggreifer 12 und einem daran befestigten Nippel 14 gebildet, über welchen der Flachsauggreifer 12 mit Unterdruck versorgt wird. Dieser Unterdruck wird bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel zentral in einen Unterdruckerzeuger 16 erzeugt und über eine Leitung 18 dem Nippel 16 zugeführt. Außerdem ist eine für alle Greifer 10 gemeinsame Steuer/Regelzentrale 20 erkennbar, die über eine Leitung 22 mit dem Nippel 16 verbunden ist.
Innerhalb des Nippels 16 befindet sich eine Einrichtung 24 zum Steuern des Unterdrucks, ein Sensor 26 zum Erfassen von Zustandsgrößen des Greifers 10 und eine Auswerteelektronik 28. Die Einrichtung 24 zum Steuern des Unterdrucks, der Sensor 26 zum Erfassen von Zustandsgrößen des Greifers 10 und die Auswerteelektronik 28 sind über eine Leitung 30 miteinander verbunden. Die Einrichtung 24 zum Steuern des Unterdrucks ist als Magnetventil ausgebildet, über welche der Unterdruck an den Flachsauggreifer 12 weitergegeben wird oder nicht. Die Ansteuerung des Magnetventils erfolgt in Abhängigkeit der Daten des Sensors 26, der z. B. als Drucksensor ausgebildet ist. Diese Daten werden von der Auswerteelektronik 28 verarbeitet, die das Magnetventil ansteuert. Über die Auswerteelektronik 28 können auch Wartungshinweise ausgelöst werden.
Über die Leitung 22 werden die Bauteile des Nippels 14 mit Strom versorgt und es können Informationen ausgetauscht werden. So kann der Greifer 10 via Internet oder Intranet überwacht werden, bzw. kann die Auswerteelektronik 28 Informationen erhalten bzw. abgeben. An Stelle der Verwendung der Leitung 22 kann auch ein drahtloser Informationsaustausch (Pfeil 23) zwischen der Steuer/Regeleinheit 20 und den Bauteilen des Nippel 12 stattfinden.
In der Zeichnung ist außerdem erkennbar, dass die Auswerteelektronik 28 mit einer Kommunikationsschnittstelle 31 gekoppelt ist, über welche der Informationsaustausch via Leitung 22 oder drahtlos (Pfeil 23) erfolgt.
Kommunikationsschnittstelle 31 kann außerdem drahtlos (Pfeil 34) mit einem Visualisierungs- und Programmierungsgerät 33 verbunden werden. Das Gerät 33 kann z. B. ein Palmtop oder dergleichen sein. An diesem Gerät 33 können Zustandsgrößen der Greifers 10 angezeigt und eingestellt bzw. verstellt werden.

Claims

1. Unterdruckhandhabungseinrichtung mit einem Unterdruckerzeuger (16), einer Einrichtung (24) zum Steuern des Unterdrucks und mehreren Greifern (10), die an einem zu handhabenden Werkstück angreifen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Greifer (10) mit einer Einrichtung (24) zum Steuern des Unterdrucks und/oder des Volumenstroms, mit einem Sensor (26) zum Erfassen von Zustandsdaten an diesem Greifer (10) sowie mit einer Auswerteelektronik (28) ausgestattet ist, an welche die Einrichtung (24) zum Steuern des Unterdrucks und der Sensor (26) angebunden sind.

2. Unterdruckhandhabungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (24) zum Steuern des Unterdrucks ein insbesondere bistabiles Magnetventil ist.

3. Unterdruckhandhabungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (24) zum Steuern des Unterdrucks ein Ventil auf der Basis eines Thin Film Shape Memory Alloys ist.

4. Unterdruckhandhabungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (26) ein Unterdrucksensor, ein Sensor zum Erfassen der Durchflussmenge oder der Durchflussgeschwindigkeit, ein Kraft- und/oder Momentensensor, ein optischer Sensor für die Belegung des Greifers (10), eine Kamera, ein Temperatursensor, eine Oberflächendetektor zum Erkennen der Struktur der Oberfläche eines Werkstückes, ein Gewichtssensor, ein Verschleißdetektor, ein Beschleunigungssensor, ein Entferungssensor oder ein mechanischer Belegungssensor ist.

5. Unterdruckhandhabungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (28) eine feldbusfähige oder eine mit IT-Standards (Ethernet, TCP-IP) kompatible Kommunikationseinheit aufweist.

6. Unterdruckhandhabungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (24) zum Steuern des Unterdrucks, der Sensor (26) und die Auswerteelektronik (28) eines jeden Greifers (10) in einen mit dem Greifer verbundenen Nippel (14) untergebracht sind.

7. Unterdruckhandhabungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Nippel (14) nachrüstbar ist.

8. Unterdruckhandhabungseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Nippel (14) eine Spannungsversorgung aufweist oder mit einer solchen verbindbar ist.

9. Unterdruckhandhabungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (28) mit einer externen Steuer/Regelzentrale (20) kommuniziert.

10. Unterdruckhandhabungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation drahtlos erfolgt.